哪种板材最适合于微波频段或毫米波频段功率放大器的应用.doc
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1、哪种板材最适合于微波频段或毫米波频段功率放大器的应用5G技术的应用会使用到若干不同的频段,各国5G的频段分配也有不同方案。其中,有频率相对较低的频段(300 MHz到30 GHz),也有频率相对较高的频段,同时还包含了毫米波频段(30到300 GHz)。根据以往的设计经验,工作于较低频段的PA(功率放大器)与工作相对较高的频率下PA设计差异不会很大。但是基于5G技术的无线通信网络与传统的蜂窝网络系统存在极大的差别,工程师在设计适用于5G技术的功率放大器时,不得不同时处理射频微波和毫米波方面的问题。设计射频微波电路与设计毫米波电路需要考虑的因素可能存在极大的差别。而且,微波电路所需的高频线路板材
2、也与毫米波应用所需的板材有很大的不同。本文将会指出哪种板材最适合于微波频段或毫米波频段功率放大器的应用。一般来说,大多数5G系统应用的工作频率不会高于6GHz。而且,这些低频段下的系统的功率水平也高于毫米波频段下的功率。射频微波5G功率放大器的性能取决于线路板材的许多关键特性,包括良好的热管理,低插入损耗以及射频性能在宽温度范围内的一致性;还包括良好可控的介电常数(Dk或r)、高导热系数、低TCDk(Dk热系数)、低损耗因子和严格控制的介质厚度等。让我们来看看材料的每种特性,以及为什么它们对射频微波功率放大器的特性至关重要。许多5G射频微波功放会使用Doherty结构,这种结构的电路需要设计四
3、分之一波长线作为阻抗变换。如果与波长相关的PCB材料的变量都得到良好控制,那么四分之一波长线电路的性能就能按照预期实现。与此相关的变量包括材料Dk与介质厚度。PCB加工制造过程中的可变因素也会影响四分之一波长线电路的性能,例如导线精度、导体厚度。通常情况下,Dk公差为 0.05的高频线路板材即可认为性能较好,可以用于此类应用的材料。此外,材料的基板介质厚度应控制在10%或更小。另一个射频微波功放的设计要点是阻抗匹配网络,其目的就是使外部阻抗匹配到功放管输入或输出。阻抗控制与波长受相同的变量影响。然而这些变量影响二者的情况却不相同。许多工程师认为Dk的变化是使阻抗产生变化的主要影响因素。然而事实
4、通常不是这样。利用任何一个阻抗计算软件就可以进行一个很简单的计算,来看看影响阻抗变化的不同变量的影响等级。表1中展示了相关结果。表1中的数据基于微带线电路,同时使用了厚度为20mil、标称Dk为3.50、Dk公差为 0.05的高频线路板材。第一行信息作为基准或参考数据,此行中显示了获得的阻抗值是50.07欧姆。表1中其它行则展示了改变其中一个变量对阻抗产生的影响。可以看到,引起阻抗变化中最重要的影响因素是介质厚度。在此之后,是导体宽度和铜箔厚度的控制对阻抗值变化,而最后,Dk对阻抗值的变化影响最小。设计射频微波功放时还需要考虑的问题是热管理。材料导热系数(或称热导率)就是一个可以帮助减少这个问
5、题的材料属性。大多数高频线路板材的导热系数都较低,典型值通常在0.2 W/mK到0.3 W/mK。而认为PCB材料拥有较好导热系数的值应为0.5 W/m/k或更高。较高的导热系数可使热量从功放管道高频电路材料获得更好的热量流动,从而使电路可以更有效地散热。导热问题出现的同时,许多射频微波功放要求应用在较宽的温度范围内且能保持正常的工作。线路板材介电常数温度系数(TCDk),就是这样一个材料的属性,它描述了温度的变化会对Dk值造成的变化影响。前面提到,Dk的变化与对电路阻抗的变化并不是最大的影响,然而Dk的变化会对波长造成影响,这必定会使Doherty功率放大器中经常使用的四分之一波长线性能出现
6、问题。依据经验,较好的TCDk值应为|50| ppm/C或更低,理想的TCDk值应为0 ppm/C,或者说是Dk值不随温度改变。图1的图表给出了几种不同类型的材料的TCDk特性。图1:不同类型线路板材的TCDk曲线可以看到,暗紫色曲线表示的聚四氟乙烯/陶瓷/玻璃布材料在室温附近的Dk变化非常大,这对聚四氟乙烯来说是正常的。如果聚四氟乙烯基材配制合适,则可以使受室温影响造成的Dk变化最小化甚至消除,这就是深蓝色曲线代表的情况。该曲线代表陶瓷填充的PTFE材料,比如Rogers公司的RO3003层压板,其TCDk值仅为-3 ppm/C。黄色曲线代表的非聚四氟乙烯的热固材料,它同样具有较好的TCDk
7、特性,大约为50 ppm/C,此曲线显示的就是罗杰斯RO4350B (或 RO4835)板材的变化情况。棕色曲线显示的是FR-4的数据,并作为参考显示在图表中。FR-4不是较好TCDk特性的材料配方,但它可以作为一个反例来看TCDk特性特别差的材料的例子。理想的TCDk是在y轴上应该是以1.00为中心的平坦曲线.最后,材料的耗散因子(Df or Tan)也影响许多不同电路特性和电路的散热性能。基本上,低Df的线路板材的电路将会具有较低的插入损耗,而较低的损耗电路产生的热量就更少。对于在6GHz以下频段使用的射频微波功放,所使用的板材的Df在0.005以下时就可基本满足相关要求了。表2对射频微波
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